科學(xué)家們擁有很多手段可以用來(lái)描述自然和宇宙的運(yùn)作過(guò)程。他們常常會(huì)首先訴諸定律和理論。那么兩者有什么區(qū)別呢？科學(xué)定律往往可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述，比如E = mc2；這是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的特殊表達(dá)式，通常只適用于特定的條件。例如，在上述方程中，c表示光速。
而科學(xué)理論則常常試圖在對(duì)特定現(xiàn)象進(jìn)行觀察和證據(jù)收集后再加以總結(jié)。一般情況下——盡管并非總是如此——理論能從宏觀角度揭示自然過(guò)程，并能夠?qū)Υ思右则?yàn)證。人們往往無(wú)法用一個(gè)精簡(jiǎn)的表達(dá)式或方程來(lái)描述科學(xué)理論，但是它確實(shí)可以解釋一些基本的自然現(xiàn)象。
不管是理論還是定律，都得靠基本的科學(xué)方法驗(yàn)證得出，例如提出假設(shè)，檢驗(yàn)假設(shè)，搜集（或搜集不到）經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，而后得到結(jié)論。最后，如果該實(shí)驗(yàn)結(jié)果將成為人們普遍接受的定律或理論的奠基石，那么其他科學(xué)家也必須能夠再現(xiàn)該結(jié)果。
下面，讓我們一起來(lái)看看10個(gè)你可能想再次重溫的科學(xué)定律或理論，即便你可能也沒(méi)那么常擺弄掃描電鏡。從大爆炸理論開(kāi)始，到宇宙基本定律和進(jìn)化論，最后，我們會(huì)遇到一些令人頭痛的現(xiàn)象，然后探討一下量子物理學(xué)。
10. 宇宙大爆炸理論
如果你想了解一個(gè)科學(xué)定理，那就不該錯(cuò)過(guò)這個(gè)解釋宇宙形成和發(fā)展過(guò)程的理論。宇宙大爆炸理論基于埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)、喬治·勒梅特(Georges Lemaitre) 以及阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（ Albert Einstein）等人的研究，其假定宇宙起源于140億年前的一次大爆炸。起初，宇宙被局限在一個(gè)奇點(diǎn)中，其中包含了宇宙中所有的物質(zhì)。自那時(shí)起，宇宙一直在向外膨脹擴(kuò)張，直到現(xiàn)在也是如此。
1965年，阿爾諾·彭齊亞斯（ Arno Penzias）和羅伯特· 威爾森（Robert Wilson）發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation），其后，宇宙大爆炸理論得到了科學(xué)界的廣泛認(rèn)可。兩位天文學(xué)家借助射電望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到宇宙噪聲，也叫輻射干擾，并發(fā)現(xiàn)它們不隨時(shí)間的推移而彌散。他們與普林斯頓的科學(xué)家羅伯特·迪克（Robert Dicke）一起合作，共同證實(shí)了迪克的假說(shuō)，即微波輻射是最初宇宙大爆炸的殘余，它們充滿了整個(gè)宇宙中，并可通過(guò)儀器檢測(cè)出來(lái)。
9. 哈勃宇宙膨脹定律
讓我們繼續(xù)來(lái)了解一下埃德溫·哈勃。繁榮的20世紀(jì)20年代飛嘯而過(guò)后，美國(guó)陷入了經(jīng)濟(jì)大蕭條，與此同時(shí)，哈勃?jiǎng)t開(kāi)創(chuàng)了天文學(xué)研究的新紀(jì)元，他不僅證明了除了銀河系以外還存在著其他星系，還發(fā)現(xiàn)了這些星系都在遠(yuǎn)離我們，他把這種運(yùn)動(dòng)稱作退行（Recession）。
為了計(jì)算星系運(yùn)動(dòng)速率，哈勃提出宇宙膨脹定律假設(shè)，亦稱哈勃定律（Hubble’s law），其方程為Vf = H0×D。其中，Vf（Velocity）代表星系退行速率；H0為哈勃常數(shù)，或稱宇宙膨脹率；D（Distance）代表參考星系相對(duì)于銀河系的距離。
一直以來(lái)，哈勃常數(shù)都沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定的值，但是目前公認(rèn)的哈勃常數(shù)為70公里每秒每百萬(wàn)秒差距，百萬(wàn)秒差距是度量天體距離的單位。對(duì)我們而言，這項(xiàng)理論可能沒(méi)有那么重要。不過(guò)，哈勃定律為我們計(jì)算一個(gè)星系相對(duì)于銀河系的速率提供了一種簡(jiǎn)便的方法。也許更為重要的是，哈勃定律證實(shí)了宇宙中包含很多星系，而這些星系運(yùn)動(dòng)可以追溯至宇宙大爆炸時(shí)期。
8. 開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律
數(shù)百年來(lái)，科學(xué)家和宗教領(lǐng)袖一直就行星的運(yùn)行軌道爭(zhēng)論不休，特別是行星是否圍繞太陽(yáng)運(yùn)行這一問(wèn)題。16世紀(jì)，哥白尼(Copernicus)提出了極具爭(zhēng)議的日心說(shuō)，認(rèn)為行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)而非地球。在第谷·布拉赫(Tycho Brahe)及他人成果的基礎(chǔ)上，約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒(Johannes Kepler)建立了行星運(yùn)動(dòng)的科學(xué)基礎(chǔ)。
17世紀(jì)初提出的開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律，指出行星繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。開(kāi)普勒第一定律，又稱軌道定律，該定律認(rèn)為行星在一個(gè)橢圓軌道上繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。開(kāi)普勒第二定律，又稱面積定律，認(rèn)為在相等時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)和運(yùn)動(dòng)著的行星的連線所掃過(guò)的面積都是相等的。換言之，如果你要測(cè)量30天內(nèi)陸球與太陽(yáng)連線掃過(guò)的面積，那么不管當(dāng)測(cè)量時(shí)地球位于軌道何處，測(cè)量出的面積都是相同的。
開(kāi)普勒第三定律，又稱周期定律，清楚地表明了行星軌道周期與其距離太陽(yáng)遠(yuǎn)近間的關(guān)系。正因?yàn)橛辛诉@條定律，我們才能得知例如金星這樣離日相對(duì)較近的行星的公轉(zhuǎn)周期要短于離日較遠(yuǎn)的行星，例如海王星。
7. 萬(wàn)有引力定律
或許如今我們已對(duì)此習(xí)以為常，然而300多年前艾薩克·牛頓（Isaac Newton）爵士提出的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)頗具顛覆意義，他表示任意兩物體，無(wú)論質(zhì)量如何，彼此之間具有引力。這條定律可由一個(gè)等式表示，許多中學(xué)生在物理課上都會(huì)學(xué)到。等式如下：
F = G × [(m1m2)/r2]
F表示兩個(gè)物體之間的引力，單位為牛頓。m1和m2表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，r則表示兩個(gè)物體之間的距離。G是萬(wàn)有引力常數(shù)，近似等于6.672 × 10-11N·m2
萬(wàn)有引力定律使我們能夠計(jì)算出任意兩物體之間的引力。當(dāng)科學(xué)家計(jì)劃將一顆人造衛(wèi)星送上軌道或啟動(dòng)月球探索計(jì)劃時(shí)，這種計(jì)算能力便顯得尤為重要。
6. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律
既然談到了這位歷史上的科學(xué)巨人，那讓我們來(lái)說(shuō)說(shuō)他的其他一些著名定律吧。與其他科學(xué)定律一樣，牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律也相當(dāng)簡(jiǎn)潔精辟，并成為了現(xiàn)代物理學(xué)的重要部分。
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律告訴我們?nèi)魏我粋€(gè)運(yùn)動(dòng)中總是保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。比如一個(gè)小球從地板滾過(guò)，它所受的外力可以是地板與球之間的摩擦力，也可以是小孩子踢向它的一腳。
第二定律建立了物體質(zhì)量與加速度之間的聯(lián)系，可以用等式F=m×a表示。其中F代表力，單位為牛頓。同時(shí)這力也是矢量，意味著它有著一定的方向。由于物體的加速度，滾過(guò)地板的皮球有著特定的運(yùn)動(dòng)方向，這是計(jì)算出施加在該皮球上作用力的條件之一。
相對(duì)而言，第三定律更為簡(jiǎn)潔且為人所熟知，即兩個(gè)物體之間存在著大小相等、方向相反的作用力和反作用力。就是說(shuō)，每一股施加在物體或其表面的力會(huì)同時(shí)被該物體反施加回來(lái)。
5. 熱力學(xué)定律
英國(guó)科學(xué)家兼小說(shuō)家查爾斯·珀西·斯諾（C.P. Snow）曾說(shuō)：一個(gè)不了解熱力學(xué)第二定律的非科學(xué)家就如同一個(gè)沒(méi)讀過(guò)莎士比亞的科學(xué)家。斯諾這一名言顯然對(duì)熱力學(xué)的重要性和普通人學(xué)習(xí)熱力學(xué)的必要性做出了強(qiáng)調(diào)。
熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中能量在物質(zhì)系統(tǒng)（無(wú)論是機(jī)械或是地核）中如何運(yùn)作的科學(xué)。它被斯諾精簡(jiǎn)為如下幾條基本規(guī)則：
你永遠(yuǎn)無(wú)法取勝。
你永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)收支平衡。
你永遠(yuǎn)無(wú)法退出游戲。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是這樣的。首先，“你永遠(yuǎn)無(wú)法取勝”，斯諾這是在說(shuō)由于物質(zhì)和能量是守恒的，想要得到其一必須舍掉另一個(gè)（例如：E=mc2）。這就意味著在發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)要為其提供熱量，即便這一過(guò)程在一個(gè)完美的封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，一部分熱量將依舊不可避免地傳遞到外界，這便引出了第二熱力學(xué)定律。
第二定律：你無(wú)法做到收支平衡。由于熵（編者注：熱力學(xué)中表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一）永遠(yuǎn)是增加的，你將不可能回到同一能量狀態(tài)（熵增定律）。聚集在某處的能量總是會(huì)逸散到能量密度低的空間。
最后，第三定律——你無(wú)法退出游戲。這涉及到絕對(duì)零度，即理論上可達(dá)到的最低溫度，指開(kāi)氏零度（即零下273.15攝氏度或零下459.67華氏度）。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到絕對(duì)零度時(shí)，分子將停止一切運(yùn)動(dòng)，這就意味著無(wú)法產(chǎn)生動(dòng)能，熵也將達(dá)到理論上的最低值。但現(xiàn)實(shí)世界中，即使在宇宙的未知地帶，達(dá)到絕對(duì)零度也是不可能的。你只能無(wú)限接近它。
4. 阿基米德浮力原理
傳說(shuō)阿基米德（Archimedes）在發(fā)現(xiàn)了浮力原理后，就這么叫嚷著“有了！”然后就繞著錫拉庫(kù)扎城（Syracuse）裸奔了一圈！沒(méi)錯(cuò)，這發(fā)現(xiàn)就有這么重要。故事是這樣的，一腳踏入浴缸的阿基米德發(fā)現(xiàn)浴缸中的水位隨之上升，然后便靈光一閃，之后就是我們開(kāi)頭讀到的情節(jié)了。
根據(jù)阿基米德浮力原理，浸入或半浸入液體中的物體所受到的力，即浮力，等于此物體所排開(kāi)的液體的重量。該原理實(shí)際應(yīng)用范圍極廣，對(duì)密度的計(jì)算有著重要作用，對(duì)潛水艇及其他遠(yuǎn)洋船舶的設(shè)計(jì)也不可或缺。
3. 進(jìn)化與自然選擇
既然我們已經(jīng)知道了一些關(guān)于宇宙如何形成以及物理如何影響我們?nèi)粘Ｉ畹幕靖拍?，那我們現(xiàn)在就來(lái)好好看一看人類自身的形成吧，也就是我們是怎么變成現(xiàn)在這樣子的。大多數(shù)科學(xué)家相信，地球上所有的生物都有一個(gè)共同的祖先。然而為了區(qū)別眾多生物體，其中必然有一部分要進(jìn)化成特殊物種。
這一變異的過(guò)程基本上通過(guò)進(jìn)化以及后代漸變（血統(tǒng)漸變）實(shí)現(xiàn)。由于突變等機(jī)制的作用，生物體會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)不同的性狀體征。那些有著有益于生存性狀的生物體，例如靠著棕色皮膚在沼澤中活下來(lái)的青蛙，便能自然而然地留存下來(lái)。這就是所謂的“自然選擇”。
當(dāng)然，這些理論往細(xì)里說(shuō)是幾天幾夜也說(shuō)不完。達(dá)爾文在19世紀(jì)便提出了這一基礎(chǔ)卻具有突破性意義的理論：通過(guò)自然選擇實(shí)現(xiàn)的進(jìn)化促成了地球上驚人的生物多樣性。
2. 廣義相對(duì)論
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的重要性在于它改變了我們看待宇宙的方式。根據(jù)廣義相對(duì)論，空間和時(shí)間并不是絕對(duì)的，引力也并非僅僅是作用于物體或物質(zhì)上的力。相對(duì)的，附諸于物質(zhì)的引力能使該物質(zhì)周圍的空間和時(shí)間（通稱時(shí)空）呈曲線環(huán)繞該物質(zhì)。
具體點(diǎn)說(shuō)吧，假設(shè)你以北半球某處為起點(diǎn)、沿著直線往東走。走了一會(huì)兒后，如果有人要在地圖上給你定個(gè)位，這時(shí)若以出發(fā)點(diǎn)為參照，你的位置其實(shí)是在東南方。這是因?yàn)榈厍蚴菆A的。要往東直行就得首先考慮一下地球的形狀，然后在出發(fā)時(shí)稍稍往北偏。（想想一張平鋪的紙和球體的區(qū)別你就知道了。）
太空的情況差不多也是這樣。就拿繞地飛行太空船里的宇航員來(lái)說(shuō)吧，盡管就他們看來(lái)可能自己是在太空中直線前進(jìn)，但現(xiàn)實(shí)是由于地球引力，圍繞他們的時(shí)空是呈曲線狀的（這普遍適用任何體積巨大的物質(zhì)，例如行星和黑洞），這就導(dǎo)致了飛船在往前行駛的同時(shí)也在環(huán)繞地球而行。
愛(ài)因斯坦這一理論對(duì)天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的未來(lái)產(chǎn)生了不可估量的啟示作用。它解釋了水星軌道出現(xiàn)的出人意料的微小異常，展示了星光是如何彎曲的，并為黑洞說(shuō)奠定了理論基礎(chǔ)。
1. 海森堡的不確定性原理
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論告訴了我們宇宙的運(yùn)行原理，也為量子物理學(xué)的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。但相對(duì)的，它也給理論科學(xué)帶來(lái)了更多的未解之謎。宇宙的規(guī)律在某些條件下可以是靈活變動(dòng)的，這一理念在1927年促使了一個(gè)具有開(kāi)拓性意義發(fā)現(xiàn)的誕生，該發(fā)現(xiàn)由德國(guó)科學(xué)家維納爾·海森堡（Werner Heisenberg）提出。
在對(duì)不確定性原理進(jìn)行假定的過(guò)程中，海森堡發(fā)現(xiàn)要同時(shí)精確確定粒子的某兩種屬性是不可能的。換句話說(shuō)，就是我們一旦確定了電子的位置，就無(wú)法確定其動(dòng)量，反之亦然。
尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）之后的發(fā)現(xiàn)更好地解釋了海森堡的理論。玻爾發(fā)現(xiàn)電子同時(shí)具有粒子和波的特質(zhì)，提出了我們現(xiàn)在所說(shuō)的波粒二象性（wave-particle duality）理論，并成為了量子力學(xué)的奠基石。因此，當(dāng)我們?cè)噲D確定電子的位置時(shí)，我們面對(duì)的是波長(zhǎng)不明但空間位置明確的粒子；當(dāng)測(cè)試其動(dòng)量時(shí)，我們其實(shí)是在將它看做波，這意味著我們能得知它的波長(zhǎng)振幅卻不能知其位置。
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